以太网基本原理

IEEE802.3ae
学习完此课程，您将会： 了解以太网的发展史 掌握以太网的基本原理 掌握以太网端口技术 理解L2交换机和L3交换机的工作原理
第1章 以太网技术发展史 第2章 以太网端口技术 第3章 以太网设备介绍
第1章 以太网发展史
1.1 以太网起源及原理简介
1.2 以太网发展及标准协议
1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，
收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光 传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。
1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽
铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。
铜质屏蔽双绞线 多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为 850nm的激光
单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的 激光
25m
550m/275m 2km-15km
IEEE802.3z的线缆标准
1000BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在
收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光， 既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。
自协商基本页信息
0 0 1 0 2 0 3 0 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Message Type Ethernet=00001 10BASE-T半双工 10BASE-T全双工 100BASE-TX半双工 100BASE-TX全双工 100BASE-T4 流控支持 远程故障指示 确认 下一页指示
为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入
提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的 连接，提供高速服务器的连接 提供交换设备间的连接
快速以太网传输距离
技术标准 100BaseTX 100BaseT4 线缆类型 EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对 EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对 多模光纤（MMF）线缆 100BaseFX 单模光纤（SMF）线缆 传输距离 100m 100m 550m-2km 2km-15km
半双工流量控制
假装有冲突了，这样你 就不会发个不停了！ backpressure
全双工流量控制
IEEE802.3x标准定义了一种新方法，在全双工环境中去实现流量控制。
交换机产生一个PAUSE帧，PAUSE帧使用一个保留的组播地址：01-
80-C2-00-00-01，将它发送给正在发送的站，发送站接收到该帧后，
802.3
Length/T > 1500
代表了该帧的类型
Length/T <= 1500
代表了该帧的长度
以太网的MAC地址
MAC地址有4 8位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。 MAC地址全球唯一，由 IEEE对这些地址进行管理和分配。每个
地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位 二进制代表该供应商代码。剩下的24位由厂商自己分配。
Reserved
自协商信号
约100ns 时 钟 数 据 位 0 数 时 据 钟 位 1 约62.5μs
……
约2ms
数 据 位 13
数 时 据 钟 位 14
时 钟
整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成
与没有自协商机制的设备连接
不使用自协商机制会出现以下情况：
无法实现端口的自动双速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)
快速（100M）以太网
数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够
为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。
IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u
快速以太网
快速以太网（100Mbit/s）的网络定位
模型分类
网络定位
接入层 汇聚层
核心层
IEEE802.3ab的线缆标准
1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网
技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户 可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps 到1000Mbps的平滑升级。
万兆以太网
已经开始部署，预计未来将有大规模的应用 标准为IEEE802.3ae 只有全双工模式 创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)
第1章 以太网技术发展史 第2章 以太网端口技术 第3章 以太网设备介绍
第3章 以太网设备介绍 3.1 Hub的工作原理
3.2 二层交换机的工作原理
3.3 VLAN与三层交换机
传统以太网连接设备HUB
Hub的工作模式
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层
应用层 表示层 会话层
2.3 流量控制
流量Hale Waihona Puke Baidu制
当通过交换机一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发
生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧。
在半双工方式下，流量控制是通过反压（backpressure）技术实现的，
模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。
在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x标准。
第1章 以太网技术发展史 第2章 以太网端口技术 第3章 以太网设备介绍
第2章 以太网端口技术
2.1 自协商技术
2.2 自适应技术
2.3 流量控制
自协商
100Mb/s自协商 100Mb/s全双工
端口2自动协商 端口3自动协商
10Mb/s自协商
端口1自动协商
端口4自动协商
端口5自动协商
10Mb/s全双工 10Mb/s半双工
我们知道局域网包含以太网,令牌环和令 牌总线等等,这些技术当中以太网技术以 其简明高效的特点逐渐占据了主导地位
学习指南
理解以太网技术原理，可以遵循两
个逻辑：以太网设备的发展和链路 物理介质速率提升
参考资料
IEEE802.3 IEEE802.3u IEEE802.3z IEEE802.3ab
无法确定双工工作模式
无法确定是否需要流量控制功能
自协商优先级
优先级顺序 A B C D E 工作方式 100BASE-TX全双工 100BASE-T4 100BASE-TX 10BASE-T全双工 10BASE-T
光纤上的自协商
对光纤以太网而言，得出的结论是：
链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式、流控等），如 果光纤两端的配置不同，是不能正确通信的。
IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准 IEEE802.3ae 10GE以太网标准
万兆以太网出现 千兆以太网迅速发展
100M快速以太网
共享式转向LAN交换机 10M以太网发展成熟 以太网产生
70年代
80年代
90年代
92年
96年
2002年
共享式以太网传输介质
在共享式以太网之时，使用一种称为抽头的设备建立与同轴电
边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之 后继续发送。
冲突检测：
由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动值超 过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。
以太网帧结构
DMAC SMAC Length/T DATA/PAD FCS
Length/Type值
含义
Ethernet_II
标准以太网（10Mbit/s）的网络定位
模型分类 接入层 汇聚层
网络定位 最终用户和接入层交换机之间的连接 通常不使用
核心层
通常不使用
IEEE802.3 线缆
名称 10BASE-5 10BASE-2 10BASE-T 10BASE-F 电缆 粗同轴电缆 细同轴电缆 双绞线 光纤 最大区间长度 500m 200m 100m 2000m
就会暂停或停止发送。
PAUSE帧利用了一个保留的组播地址，它不会被网桥和交换机所转发，
这样，PAUSE帧不会产生附加信息量。
全双工流量控制
PAUSE功能的应用场合：
一对终端 （简单的两点网络） 一个交换机和一个终端 交换机和交换机之间的链路
PAUSE功能不解决下列问题：
稳定状态的网络拥塞 端到端流量控制 比简单的“停—启”更复杂的机制
10Base2：细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米）
共享式以太网的缺点
在共享式以太网中，所有的主机都以平等的地位连接到同轴电
缆上，但如果以太网中主机数目较多，则存在以下严重问题：
介质可靠性差 冲突严重
广播泛滥
无任何安全性
其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。
标准以太网
缆的连接。须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞，然后将 抽头接入。此项工作存在一定的风险：因为任何疏忽，都有可 能使电缆的中心导体与屏蔽层短接，导致这个网络段的崩溃。 同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点的故障 可以导致这个网络的崩溃。
10Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）
HUB
传输层
网络层 链路层
物理层
物理层
物理层
注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。
所有的HUB都是半双工的
Hub的工作原理
1
IN
2
OUT
3
OUT
4
OUT
5
OUT
由HUB组建以太网的实质
实际上网络中由HUB组建以太网实质是一种共享式以太网，存在共享式以太
千兆以太网的自协商机制已经实现。
第2章 以太网端口技术
2.1 自协商技术
2.2 自适应技术
2.3 流量控制
智能MDI/MDIX
Transmit Pair Receive Pair Transmit Pair Receive Pair
交叉网线
Transmit Pair Receive Pair
Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3
规范相互兼容。
以太网原理---CSMA/CD
CS：载波侦听
在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。
MA：多址访问
每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。
CD：冲突检测
如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。 如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。
00e0.fc39.8034
最小帧长与最大传输距离
最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。 最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制共同决
定。
规定最小帧长是为了避免这种情况发生：某站点已经将一个数
模型分类 接入层 汇聚层 核心层
网络定位 一般不使用 提供接入层和汇聚层设备间的高速连接 提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核 心设备间的高速互联
千兆以太网传输距离
技术标准 1000BaseT 线缆类型 铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对 传输距离 100m
1000BaseCX
1000BaseSX 1000BaseLX
据包的最后一个BIT发送完毕，但这个报文的第一个BIT还没有 传送到距离很远的一个站点。而站点认为线路空闲而发送数据， 导致冲突。
第1章 以太网发展史
1.1 以太网起源及原理简介
1.2 以太网发展及标准协议
以太网发展简史
IEEE802.3 以太网标准
IEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准
千兆以太网
千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之
上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1 Gbps。
标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）
千兆以太网
千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位
以太网的诞生
以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作
为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输 速率达到10Mbps。
以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE 802.3规范
则 是 基 于 最 初 的 以 太 网 技 术 于 1980 年 制 定 。 以 太 网 版 本 2.0 由 Digital
直连网线
Receive Pair Transmit Pair
不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备
两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备
消除由于电缆配错引起的连接错误
简化10/100M网络安装维护，降低开销
第2章 以太网端口技术
2.1 自协商技术
2.2 自适应技术